Điều khiển công trình lệch tầng (setback buldings) bằng hệ cản ma sát biến thiên

LỜI CẢM ƠN Cao học môi trƣờng tốt trang bị cho kỹ sƣ nắm vững lý thuyết nâng cao chuyên ngành, tinh thần phƣơng pháp luận nghiên cứu khoa học Luận văn tốt nghiệp điểm mốc, nhằm cố kiến thức đƣợc học giúp cho học viên bƣớc đầu nghiên cứu vấn đề thực tế lý thuyết đặc cho ngành Tuy thời gian đƣợc học trƣờng ngắn, nhƣng khoảng thời gian quan trọng đời định hƣớng nghiệp sau tơi Thơng qua lời nói đầu này, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô, bạn đồng môn giúp suốt q trình học tập trƣờng Để hồn thành đƣợc luận văn này, vô biết ơn PGS.TS Chu Quốc Thắng, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn tơi TS Hồng Nam, ngƣời giúp đỡ tơi nhiều thời gian qua Tôi gửi lời cảm ơn đến ngƣời thân bạn bè xung quanh tạo điều kiên để tơi hồn thành luận văn TÓM TẮT LUẬN VĂN Điều khiển kết cấu kỹ thuật thiết kế cơng trình chống lại tác động môi trƣờng mà cho hiệu cao (về chi phí, mức độ an tồn…) so với đƣờng lối thiết kế thông thƣờng Điều khiển kết cấu đƣợc chia thành ba loại: bị động, chủ động bán chủ động Điều khiển bị động bị hạn chế khả điều khiển đáp ứng kết cấu, điều khiển chủ động cần q nhiều nguồn lƣợng đƣợc cung cấp từ bên ngoài, giải pháp điều khiển bán chủ động khắc phục nhƣợc điểm hai phƣơng pháp Luận văn tập trung khảo sát khả giảm chấn hệ cản ma sát biến thiên thuật toán điều khiển bán chủ động: ”Linear Quadratic Gaussian” cho cơng trình lệch tầng Cơ sở lý thuyết lực ma sát nhƣ hệ cản ma sát đƣợc xem xét luận văn, ƣu điểm khuyết điểm Tình hình phát triển hệ cản ma sát giới đƣợc đề cập đến Phần sở lý thuyết trình bày mơ hình: vectơ khơng gian trạng thái để tính tốn đáp ứng kết cấu sử dụng hệ cản ma sát biến thiên Thuật toán lƣu đồ thuật tốn ” Linear Quadratic Gaussian” có hiệu chỉnh ma trận R Có xét đến tín hiệu nhiễu đo lƣờng thực tế, dùng lọc Kalman để lọc tín hiệu Ngồi việc ứng dụng lọc Kalman cho phép giảm đƣợc số lƣợng thiết bị đo tín hiệu Vì lọc Kalman cho phép ƣớc lƣợng vector trạng thái đầy đủ từ vector đo lƣờng khuyết Áp dụng ví dụ số đánh giá độ giảm đáp ứng kết cấu đƣợc điều khiển bán chủ động kết cấu không điều khiển MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .1 TÓM TẮT LUẬN VĂN .2 MỤC LỤC Chƣơng MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .1 1.2 TỔNG QUAN .2 1.2.1 Các hệ thống điều khiển kết cấu .2 1.2.2 Tiêu tán lƣợng ma sát 1.2.3 Mục tiêu cần thiết luận văn 1.3 TỔ CHỨC LUẬN VĂN .8 Chƣơng TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CỦA LỰC CẢN MA SÁT HIỆN NAY 2.1 CẢN MA SÁT KHÔ .9 2.1.1 Các nguyên lý ma sát 10 2.1.2 Quy luật Coulomb hệ cản ma sát khô Hệ số ma sát .10 2.1.3 Bề mặt tiếp xúc thiết bị cản ma sát 11 2.2 TIÊU TÁN NĂNG LƢỢNG BẰNG MA SÁT 12 2.2.1 Định nghĩa 12 2.2.2 Ƣu nhƣợc điểm hệ cản ma sát biến thiên 12 2.3 PHÂN LOẠI THIẾT BỊ CẢN MA SÁT 13 2.3.1 Hệ cản ma sát trƣợt bu lông (LSB) nút 13 2.3.2 Hệ cản ma sát Pall 14 2.3.3 Hệ cản ma sát Sumitomo 15 2.3.4 Tiêu tán lƣợng bị kiềm hãm (EDR) 17 2.3.5 Hệ cản ma sát biến thiên (VFD) 18 Chƣơng MƠ HÌNH VECTOR KHƠNG GIAN TRẠNG THÁI 20 3.1 MƠ HÌNH CƠNG TRÌNH TRONG KHƠNG GIAN TRẠNG THÁI [8] [15] 20 3.2 PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG CỦA KẾT CẤU VỚI LỰC ĐIỀU KHIỂN TỔNG QUÁT 22 Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN BÁN CHỦ ĐỘNG CỦA HỆ CẢN MA SÁT BIẾN THIÊN DÙNG THUẬT TOÁN LQG 26 4.1 LỰC CẢN MA SÁT BIẾN THIÊN TRONG HỆ [1] 26 4.2 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỀN LINEEAR QUADRATIC GASSIAN (LQG) [2] 27 4.2.1 Xét hệ theo mơ hình liên tục 27 4.2.2 Xét hệ theo mô hình gián đoạn [28] .30 4.2.3 Xác định lực pháp tuyến N(t) [2] 31 4.2.4 Xác định lực ma sát hệ cản bƣớc thời gian thứ k 31 4.3 LƢU ĐỒ THUẬT TOÁN 34 Chƣơng VÍ DỤ TÍNH TOÁN 36 5.1 MÔ TẢ KẾT CẤU 36 5.2 ỨNG DỤNG LQG VỚI CÁC SỐ LIỆU ĐƢỢC CHỌN 37 5.2.1 Số liệu điều khiển 37 5.2.2 Mô tả trận động đất 38 5.2.3 Kết 39 5.2.4 Thay đổi thông số r điều khiển 67 5.2.5 Thay đổi tín hiệu nhiễu: 70 Chƣơng HẠN CHẾ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN 75 6.1 Nhận xét hạn chế 75 6.2 Hƣớng phát triển luận văn 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC 79 Chƣơng 1: Mở đầu Chƣơng MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Sự phát triển vật liệu cƣờng độ cao phƣơng pháp phân tích kết cấu tạo điều kiện cho phát triển cơng trình cao tầng, tháp truyền hình… Những cơng trình có độ cản thấp độ mềm cao nhạy cảm với tác động môi trƣờng nhƣ động đất Giải pháp truyền thống để chống lại tác động tăng độ cứng tăng khả chịu lực kết cấu thơng qua việc tăng kích thƣớc tiết diện cột, dầm, vách cứng Tuy nhiên giải pháp truyền thống bộc lộ nhƣợc điểm sau: Độ an tồn khơng cao: Với động đất mạnh, kết cấu làm việc miền đàn hồi, lƣơng đƣợc tiêu tán chủ yếu sƣ hƣ hỏng, phá hoại cục kết cấu, với giải pháp khó kiểm sốt đƣợc hƣ hỏng Phạm vi sử dụng hạn chế: Không thể dùng đƣợc cơng trình quan trọng khơng cho phép phần tử kết cấu làm việc miền đàn hồi, nhƣ: nhà máy điện hạt nhân, bảo tàng, cơng trình có tài sản q giá Tốn khơng chắn: Giá thành cơng trình tăng tiết diện cấu kiện tăng, nhƣng độ hiệu chƣa đƣợc đảm bảo Với lý trên, vài thập kỷ gần ngƣời ta nghiên cứu ứng dụng nhiều hệ thống điều khiển kết cấu nhằm hạn chế tối đa mức độ nguy hiểm công trình chịu tác động thiên nhiên, đặc biệt động đất Năng lƣợng đƣợc hấp thụ không thân kết cấu mà cịn hệ thống điều khiển kết cấu Ở Việt Nam, điều khiển kết cấu lĩnh vực mới, ngành xây dựng nƣớc ta địi hỏi phải có nâng tầm để theo kịp phát triển giới Nhƣng quan trọng cần có nhiều nghiên cứu ứng dụng điều khiển kết cấu vào tính tốn giảm chấn cho cơng trình xây dựng Ngành cao học xây dựng trƣờng Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh có nghiên cứu đề tài “điều khiển kết cấu” năm gần [1], [17] … Điều khiển kết cấu đƣợc chia thành ba loại: Bị động, chủ động bán chủ động Điều khiển bị động hạn chế khả điều khiển đáp ứng kết cấu, điều khiển chủ động cần nhiều lƣợng cung cấp từ bên ngoài, giải pháp điều khiển bán chủ động khắc phục đƣợc nhƣợc điểm hai phƣơng pháp Luận văn tập trung khảo sát khả giảm chấn hệ cản ma sát biến thiên cơng trình lệch tầng thuật tốn điều khiển bán chủ động: “Linear Quadratic Gaussian” Cơng trình lệch tầng cơng trình gồm: Một khối cao tầng liên kết với khối thấp tầng (kết cấu bị cắt tầng) Những cơng trình thƣờng gặp thị, cơng kiến trúc hấp dẫn Tuy nhiên dạng kết cấu thƣờng dễ bị Điều khiển kết cấu chịu tải trọng động đất với hệ cản biến thiên Chƣơng 1: Mở đầu hƣ hỏng gây thiệt hại lớn vị trí bị cắt tầng giảm đột ngột độ cứng [3] Điều khiển đồng thời cơng trình lệch tầng sử dụng cản ma sát bị động liên kết khối kết cấu cao tầng kết cấu thấp tầng đƣợc nghiên cứu tác giả Ng Xu [4] chứng minh tính hiệu việc giảm đại lƣợng đáp ứng động đất cơng trình lệch tầng Tuy nhiên, nhƣợc điểm cản ma sát bị động điều khiển lực ma sát cố định dƣới cƣờng độ động đất khác Thực tế lực ma sát yêu cầu cao trận động đất mạnh, ngƣợc lại trận động đất trung bình u cầu lực ma sát bé Ngồi ra, giảm đáp ứng tối ƣu độ lệch tầng đạt đƣợc lực ma sát có giá trị Fa, nhƣng giảm đáp ứng tối ƣu gia tốc lại yêu cầu lực ma sát nhỏ Fa Vì vậy, để khắc phục nhƣợc điểm hệ cản ma sát bị động, ta áp dụng hệ cản ma sát biến thiên để giảm đáp ứng động đất cho cơng trình lệch tầng Phần lý thuyết, luận văn trình bày mơ hình hố cơng trình lệch tầng, mơ hình hệ cản ma sát biến thiên, véctơ khơng gian trạng thái để tính tốn đáp ứng hệ kết cấu lệch tầng sử dụng hệ cản ma sát biến thiên Thuật toán lƣu đồ thuật toán “Linear Quadratic Gaussian” Đƣa phƣơng pháp lựa chọn thông số điều khiển Phần ứng dụng, áp dụng mơ hình số (nêu phần sau), minh họa số so sánh đáp ứng cơng trình chọn dƣới kích thích động đất hai trƣờng hợp: không điều khiển điều khiển bán chủ động cản ma sát biến thiên Đánh giá thay đổi ma trận trọng lƣợng R 1.2 TỔNG QUAN 1.2.1 Các hệ thống điều khiển kết cấu Kỹ thuật điều khiển nói chung điều khiển kết cấu cơng trình nói riêng đƣợc phát triển từ sớm giới Rất nhiều thiết bị đƣợc nghiên cứu nhằm hạn chế ảnh hƣởng lên cơng trình tác nhân gây dao động nhƣ: gió bão, động đất, nổ, tải trọng xe (TLCD)… Tp Hồ Chí Minh Điều khiển kết cấu chịu tải trọng động đất với hệ cản biến thiên Chƣơng 1: Mở đầu : vào kết cấu để thay đổi đặt trƣng kết cấu (nhƣ: Nhóm đƣợc chia thành ba nhóm nhỏ: cách ly dao động, tiêu tán lƣợng bị động, hệ cản khối lƣợng Điều khiển chủ động Điều khiển bán chủ động: thực theo nguyên lý điều khiển chủ động tác động dựa thiết bị tiêu tán lƣợng biến thiên nhƣng khác biệt chúng thiết bị điều khiển bán chủ động cần nguồn lƣợng thấp nhiều so với hệ chủ động Do đó, nguồn lƣợng hệ bán chủ động làm việc nhƣ hệ bị động Hệ điều khiển hỗn hợp: hệ kết hợp hệ chủ động hệ bị động, lực kích thích nhỏ (động đất yếu) hệ làm việc nhƣ hệ cản bị động, chịu lực kích động lớn hệ chuyển sang làm việc nhƣ hệ cản chủ động : Điều khiển kết cấu chịu tải trọng động đất với hệ cản biến thiên Chƣơng 1: Mở đầu (PED = Passive Energy Dissipation: thiết bị tiêu tán lƣợng bị động) Điều khiển kết cấu chịu tải trọng động đất với hệ cản biến thiên Chƣơng 1: Mở đầu e Hình 1.1 cấu 1.2.2 Tiêu tán lƣợng ma sát Thiết bị tiêu tán lƣợng ma sát (friction dissipators = FD) thiết bị hấp thụ phần lƣợng đầu vào thông qua lực ma sát Tùy vào mục đích sử dụng nhƣ tính mỹ quan kiến trúc mà FD có đa dạng chủng loại (Hình 1.2) Một số loại FD đƣợc sử dụng rộng rãi – Limited Slip Bolted (LSB) Joints (Hình 1.3a): tiêu tán lƣợng ma sát dùng trƣợt giới hạn bu lông – X-braced Friction Damper (Hình 1.3b): tiêu tán lƣợng ma sát dạng giằng chéo – Sumitomo Friction Damper (Hình 1.3c): thiết bị tiêu tán lƣợng ma sát Sumitomo – Energy Dissipating Restraint (ERD) (Hình 1.3d): thiết bị tiêu tán lƣợng ma sát ràng buộc biến dạng Tất hệ cản ma sát (ngoại trừ ERD) tuân theo chu trình trễ hình chữ nhật, tức dạng tiêu tán lƣợng ma sát khơ Coulomb (Hình 1.4) Khi sử dụng thiết bị tiêu tán lƣợng ma sát có đƣợc ƣu điểm nhƣ: khả tiêu tán lƣợng cao (do vòng lặp trễ dạng hình chữ nhật), lực ma sát điều khiển đƣợc thông qua hệ thống ứng suất trƣớc, không chịu ảnh hƣởng tƣợng mỏi… Cũng phải nhấn mạnh rằng, hệ cản ma sát điều khiển bị động khơng hữu hiệu tải gió, khả giảm gia tốc có giới hạn Do đó, luận văn tập trung nghiên cứu mức độ hiệu giảm chấn cơng trình đƣợc trang bị FD chịu tải động đất Điều khiển kết cấu chịu tải trọng động đất với hệ cản biến thiên Chƣơng 1: Mở đầu FD tiêu tán lượng ma sát (FD) (a) Khung với thiết bị tiêu tán lượng nằm hệ giằng mặt sàn (b) Khung với thiết bị tiêu tán lượng nằm cuối hệ giằng chỗ liên kết cột & dầm FD FD (c) Khung với thiết bị tiêu tán lượng nằm hệ giằng Hình 1.2 (d) Khung với thiết bị tiêu tán lượng nằm giằng chéo Vị trí FD kết cấu (a) Tiêu tán lƣợng ma sát dùng trƣợt giới hạn bu lông (do Pall phát minh 1980) (b) Tiêu tán lƣợng ma sát dạng giằng chéo (do Pall Marsh phát minh 1982) Điều khiển kết cấu chịu tải trọng động đất với hệ cản biến thiên Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Nhân Hoà - Luận văn cao học, Điều Khiển Kết Cấu Chịu Tải Trọng Động Đất Với Hệ Cản Ma Sát Biến Thiên – 2006 [2] Ng CL, Xu YL, Semi-active control of building complex with variable friction dampers – Engineering Structure 29 (2007) 1209-1225 [3] Shahrooz BM, Moehle JP, Secmic response and of setback building Journal of Structure Engineering ASCE 1990; 116(5):1423-39 [4] Ng CL, Xu YL, Secmic vibration control of medium – rise building and podium structure linked in paralled by passive friction damper In: 10th Anniversary symposium on performance of reponse controller building.2004 [5] Dyke SJ, Spencer Jr BF, Sain MK, Cairlson JD An experimental verification study of MR dampers for seismic protection Smart Materials and Structure 1998;7:693-703 [6] Lyan-Ywan Lu – Semi-active modal control for secmic structure with varaable friction danpers – Engineering Structures 26 (2004) 437- 454 [7] Katsuhiko Ogata – Modern Control Engineering (Fourth edition) – Prentice Hall - 2002 [8] Leonard Meirivitch – Dynamics and control of structure – John Wiley & Sons -1990 [9] Leonard Meirivitch – Element of vibration analysis – Mc Graw- Hill – 1990 [10] Leonard Meirivitch – Principles and techniques of vibration – Prentice Hall - 1997 [11] P Dupont, P.Kasturi and A Stokes – Semi-active control of friction dampers Journal of Sound and Vibration (1997) 202(2), 203-218 [12] C.W.Stammers – Control of building secmic response by mans of three semi-active friction dampers Journal of Sound and